肠道菌群影响免疫治疗的机制及临床研究进展—抗癌管家-康爱管家互助群微信468826656

抗癌管家
2022-03-24

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免疫治疗是肿瘤治疗的一种突破性技术,明显的延长了肿瘤患者的生存期,改善了患者的生活质量。然而这种疗法只能使少数患者受益,因此研究并开发提高免疫治疗疗效的方法具有重要意义。肠道菌群被认为对肿瘤免疫治疗的成功有重要的贡献。研究表明,肠道菌群的存在、组成和多样性水平直接影响患者的肿瘤治疗效果,并且免疫应答效率能通过粪菌移植或有益菌干预而改善。肠道的特征菌群与宿主肿瘤微环境树突状细胞的抗原呈递功能和效应性T淋巴细胞的活性有显著的相关性。这种菌群‐免疫之间的调控机制很大程度上是由肠道菌群代谢产生的短链脂肪酸或次级胆汁酸等物质通过配体‐受体的关系调控宿主基因表达,调节免疫细胞分化及活性实现。另外,肠道细菌还可能通过易位定植于肿瘤组织进而刺激免疫反应。基于这些菌群与免疫关系的研究,可确信通过避免使用抗生素、粪菌移植和益生菌干预的方法,改善或维持健康的肠道菌群结构,是优化肿瘤免疫治疗的有效途径。本文综述了肠道菌群参与调控免疫治疗潜在的分子机制及相关领域的研究进展,为进一步利用益生菌调节肠道菌群并促进肿瘤免疫治疗效率的研究提供理论支持。

关键词:肠道菌群 代谢产物 免疫治疗

免疫治疗是当前用于科学研究和临床治疗多种恶性肿瘤的一种新方法,其中免疫检查点阻断(immune checkpoint blockade, ICB)主要是利用免疫检查点抑制剂(immune checkpoint inhibitors,ICIs)拮抗肿瘤的免疫逃逸,促进T细胞在肿瘤组织的浸润,提高效应T细胞对肿瘤细胞的杀伤作用,从而重启和放大肿瘤‐免疫循环,实现肿瘤的免疫治疗[1,2]。抗癌管家-康爱管家,我们一起抗癌,治愈癌症不是梦。康爱管家微信468826656。然而这一方法仅在少数患者中起到有效的治疗作用,疗效的差别可归因于肿瘤的不同类型及患者的个体差异,这与患者肠道菌群组成密切相关[3]。本文综述了肠道菌群参与调控免疫治疗相关领域的研究进展以及潜在的分子机制,为进一步利用益生菌调节肠道菌群并促进肿瘤免疫治疗疗效的研究提供理论支持。

1 肠道菌群与免疫治疗的相关性

许多研究表明,肠道菌群可以深刻影响免疫治疗疗效[4-8],肠道菌群的特定细菌会影响机体对化疗和免疫治疗的疗效[9]。据报道,在皮下注射黑色素瘤和膀胱癌的小鼠中,与非双歧杆菌治疗的小鼠相比,抗PD-L1治疗的反应率与双歧杆菌治疗显著相关,这主要是由于树突状细胞成熟的增强,从而提高了肿瘤特异性CD8+T细胞的活性[10]。

许多研究表明,在肿瘤患者临床数据或荷瘤小鼠试验研究中,肠道菌群的破坏或缺失会损害基于PD‐1/ PD‐L1、CTLA‐4或CD47靶点的肿瘤免疫治疗疗效。肠道中特定菌群富集与ICB治疗的免疫应答相关(表1)。

表1

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2 肠道菌群介导免疫调节的生物学机制

肠道菌群介导的影响肿瘤生长和免疫治疗效果的确切机制目前尚不清楚,目前认为与信号传递有关。从胃肠道向肿瘤传递信号的信使,分类为微生物群或宿主衍生细胞(活的微生物或宿主免疫细胞)或分子[微生物相关的或病原体相关的分子模式(MAMPs/PAMPs)、微生物代谢物或宿主细胞因子]。当活细菌或 MAMPs/PAMPs作为信使时,细菌迁移的过程中通过同时提供外来抗原和佐剂,进入脾脏、淋巴结或肿瘤,进而启动强烈的免疫反应。针对细菌抗原的交叉反应性T细胞可以通过提供CD4+T细胞或CD8+细胞来发挥抗肿瘤作用[17]。肠道菌群能产生各种生物活性分子作为其代谢的副产物,这些代谢物可以对宿主表现出各种各样的作用,其中就包括调节免疫系统。短链脂肪酸(short‐chain fatty acids,SCFAs)是目前已知的能影响宿主免疫的最具特征性的微生物代谢物种类之一[18],它可以影响细胞因子的产生[19]、巨噬细胞和树突状细胞的功能及B细胞类别的转换。在免疫治疗的条件下,通过将代谢产物作为药物的方法,或者通过进行基因操作从而对治疗方案进行临床管理,都可以观察到微生物代谢在免疫治疗过程中发挥的作用,这可能有助于制订新的治疗策略。肠道菌群对肿瘤免疫治疗影响的作用方式,包括肠道菌群代谢产物的间接调控作用和肠道细菌易位、定植于肿瘤组织的直接作用。



2.1 肠道菌群代谢产物对免疫治疗的作用

肠道菌群的代谢产物可以调节其他细菌的组成和活性,也可以直接穿越肠道屏障作用于宿主,影响宿主生理、激活宿主免疫,这些物质包括短链脂肪酸、吲哚丙酸、色胺和次级胆汁酸[20]。其中短链脂肪酸和次级胆汁酸在肠道菌群代谢产物与肿瘤免疫方面是重要的研究方向。



2.1.1 短链脂肪酸

细菌利用肠道中未消化的碳水化合物发酵产生SCFAs,在宿主体内起到促进CD8+记忆T 细胞形成和诱导Th1、Th17细胞及Treg细胞[21-23]分化的作用。肿瘤微环境的Treg细胞不利于肿瘤的免疫治疗,因此由肠道菌群代谢产生的SCFAs可通过平衡 Th 细胞和 Treg 细胞来调节宿主的免疫平衡[24]。Nomura M等研究表明,在抗PD‐1治疗中产生抗肿瘤免疫反应的患者,其粪便中乙酸、丙酸、丁酸和戊酸的浓度以及血浆中丙酸和异戊酸的浓度均显著升高[25]。同样,Botticelli A等利用代谢组学技术分析了非小细胞肺癌患者在接受免疫治疗前的粪便样品,发现丙酸、丁酸等短链脂肪酸与抗PD‐1治疗的长期获益有显著的正相关性[26]。然而Coutzac C等发现接受抗 CTLA‐4治疗转移性黑色素瘤的患者,治疗前柔嫩梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)的富集与总生存期和无进展生存期正相关,血清中的丁酸盐含量与疗效呈负相关[27]。小鼠实验结果表明,丁酸盐抑制了抗CTLA‐4介导的树突状细胞成熟,并促进了Treg细胞分化,从而降低了免疫治疗效率。尽管不同研究得到的结果不同,但SCFAs在免疫治疗中发挥的免疫调节作用不容置疑,因此短链脂肪酸可作为肿瘤免疫治疗的预测性生物标志物。



2.1.2 胆汁酸

宿主合成并分泌到小肠的胆汁酸(初级胆汁酸),95%在回肠末端被重吸收,剩余部分到达大肠后被共生的肠道细菌利用,产生次级胆汁酸。初级胆汁酸和次级胆汁酸可作为信号分子,靶向作用于宿主免疫细胞的胆汁酸受体,下调树突状细胞和单核细胞的TNF‐α和IL‐12,增加巨噬细胞IL‐10的产生,从而破坏免疫细胞的促炎功能[28]。另外,胆汁酸还参与调节T细胞的功能。Hang S等通过对胆汁酸代谢物的筛选,发现在小鼠中石胆酸(lithocholic acid,LCA)可调控Th17和Treg细胞平衡[29]。Song X等同样发现小鼠肠道RORγ+ Treg细胞的积聚与粪便中特定胆汁酸含量增加有关[30]。据研究报道,胆汁酸代谢与肿瘤的发展与治疗有关。Cao H等研究表明脱氧胆酸引起的肠道失调增加了结直肠癌的发展[31]。尽管胆汁酸及其受体在肿瘤的免疫治疗领域尚缺乏足够的证据,但仍可以认为肠道菌群调控的胆汁酸代谢与肿瘤免疫之间存在联系[32]。



2.1.3 其他肠道菌群代谢物

研究发现,肠道菌群产生的代谢物肌苷在免疫治疗中能够增强宿主的抗肿瘤免疫反应[33]。该研究团队在抗PD‐L1和抗CTLA‐4治疗有效的小鼠肿瘤组织中培养到7种特异细菌,然后将这7种细菌分别灌胃于待接受免疫治疗的荷瘤小鼠,发现约氏乳杆菌(Lactobacillus johnsonii)和欧陆森氏菌(Olsenella)可增强抗 CTLA‐4 疗效,假长双歧杆菌(Bifidobacterium pseudolongum)对抗CTLA‐4和抗PD‐L1治疗均有促进作用。进一步研究发现,B. pseudolongum既没有经肠道易位至肿瘤组织,也不能独自起到抗肿瘤的作用,而是促进了Th1细胞的分化,结合抗CTLA‐4可以进一步激活Th1细胞。其作用机制是B. pseudolongum产生的代谢物肌苷经消化道进入血液循环,与靶细胞的肌苷受体结合后调控Th1的分化。当IFN‐γ存在时,肌苷会明显促进初始T细胞向Th1分化,而抗CTLA‐4能够增强CD4+T细胞和CD8+T细胞IFN‐γ的产生。

细菌代谢产物的类型、剂量等因素的变化,会改变宿主的免疫平衡。因此,粪便或血液的代谢物分子可作为识别早期进展患者和长期应答患者的预测性生物标志物。



2.2 细菌在肿瘤的易位

如果说肠道菌群产生的代谢物对免疫治疗是间接调控作用,那么细菌从肠道易位至肿瘤激活抗肿瘤反应被认为是肠道菌群对肿瘤免疫的直接影响。尽管肿瘤中是否存在细菌这一话题备受争议,德克萨斯大学MD安德森癌症中心及以色列魏茨曼科学研究院的研究团队先后提供了患者肿瘤组织的石蜡切块中存在微生物的有力证据[32, 34]。这两项研究采用极为严格的无菌操作条件和大量的对照试验来排除外源细菌的污染,发现肿瘤内细菌主要存在于肿瘤细胞和免疫细胞内,且微生物组成特征和多样性与肿瘤类型、患者生存期以及免疫治疗反应有相关性。目前已有组织和肿瘤内的细菌是从肠道迁移而来的相关证据。在宿主处于炎症损伤的情况下,肠道细菌能够突破肠屏障进入次级淋巴器官进而迁移至其他远端组织[35, 36]。在肿瘤免疫治疗中,免疫检查点抑制剂能够引起肠道炎症,产生肠道炎症的患者对免疫治疗的反应更强,可能归因于免疫治疗使肠上皮淋巴细胞激活所致[37]。虽然迁移出肠道的细菌通过何种途径易位至肿瘤或其他组织的机制尚不明确,但研究发现静脉注射的细菌会在肿瘤中聚集,肿瘤内血管的渗漏使细菌在肿瘤组织定植也是可以预期的[38]。Routy B等对小鼠进行A. muciniphila灌胃和抗PD‐1处理后,在肿瘤组织中发现细菌感染引起的肉芽肿,说明存在肠道细菌易位至肿瘤的可能性[39]。进入肿瘤的细菌能够激活固有的免疫途径,通过树突状细胞的抗原呈递作用促进免疫细胞肿瘤浸润,启动或增强抗肿瘤免疫反应[40]。

3 肿瘤免疫治疗相关的肠道菌群



3.1 阿克曼菌(Akkermansia muciniphila)

阿克曼菌属于疣微菌门 (Verrucomicrobia),占肠道菌群的0.01%~4%[41],Reunane研究发现体外条件下阿克曼菌能够粘附结肠细胞株(HT-29和Caco2),加强肠道屏障[42]。Routy等比较接受抗PD-1免疫治疗的非小细胞肺癌(NSCLC)和肾细胞癌(RCC)患者的肠道菌群,应答者粪便中阿克曼菌水平显著高于无应答者(P=0.007)[43]。分别移植应答者与无应答者粪便给无菌或抗生素处理过的小鼠,移植应答者粪便小鼠可显现免疫治疗的抗肿瘤效果,移植无应答者粪便小鼠则不能显现抗肿瘤效果,口服阿克曼菌后可加强PD-1抑制剂的抗肿瘤效果。最新的一项研究中,Zheng等纳入8例肝细胞癌(HCC)患者,在索拉非尼进展后使用PD-1抑制剂治疗,在每次治疗前收集患者粪便标本直至疾病进展,发现免疫治疗应答者(n=3)比无应答者(n=5)肠道菌群物种多样性丰富,阿克曼菌和瘤胃球菌科丰度更高[44]。以上研究提示我们免疫治疗应答者与无应答者肠道菌群中阿克曼菌丰度存在显著差异,推测阿克曼菌可能有利于肿瘤的免疫治疗。



3.2 双歧杆菌(Bifidobacterium)

双歧杆菌属于放线菌门双歧杆菌科,占肠道微生物群的5%。Sivan等通过比较不同小鼠黑色素瘤生长情况,发现抗肿瘤作用的差异与肠道菌群不相同有关,通过16S核糖体RNA测序确定双歧杆菌与抗肿瘤作用有关[45]。研究者给无双歧杆菌的荷瘤小鼠灌胃短双歧杆菌或长双歧杆菌,可有效抑制黑色素瘤的生长,恢复抗黑色素瘤特异性细胞毒性T淋巴细胞应答和免疫监测;单用双歧杆菌可观察到其对肿瘤的抑制作用,与PD-1抑制剂联合治疗几乎完全抑制了肿瘤的生长;进一步研究发现荷瘤小鼠抗PD-1治疗后,双歧杆菌促进肿瘤内树突状细胞的成熟与T细胞增殖。Matson等收集42例PD-1抑制剂治疗前转移性黑色素瘤患者的粪便标本,检测肠道菌群组成与治疗效果之间的相关性,发现应答者中长双歧杆菌、产气柯林斯菌和粪肠球菌(Enterococcus faecium)丰度更高,在无应答者中卵形瘤胃球菌(Ruminococcus obeum)和氏菌属(Roseburia inalis)丰度较高,表明双歧杆菌可能具有抗肿瘤作用[46]。Jin等纳入37例接受纳武利尤单抗治疗的晚期 NSCLC患者,分别在治疗前、疗效评估时以及疾病进展时采集粪便,应用16S核糖体RNA测序测定肠道菌群,发现应答者体内长双歧杆菌、阿利斯贝斯属(Alistipes putredinis)以及普氏菌(Prevotella copri)丰度高,无应答者瘤胃球菌属丰度高[47]。现有研究初步发现双歧杆菌在免疫治疗应答者体内丰度更高。作为常见的益生菌,双歧杆菌某些菌株已广泛应用于食品、医药等方面。因此有望通过含益生菌的膳食干预定向改变肠道菌群,使有益菌群富集,以期提高肿瘤免疫治疗疗效[48]。



3.3 乳酸菌(Lactobacillus)

乳酸菌属厚壁菌门乳酸菌科,发酵糖类后主要产物为乳酸。Wang等联合应用抗CTLA-4和抗PD-1抗体治疗诱发结肠炎小鼠模型,行粪便微生物测序发现免疫相关性结肠炎的小鼠肠道菌群中乳酸菌的丰度明显降低[49]。通过口服罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)可以减轻免疫治疗引起的结肠炎,有效抑制结肠炎的发生和发展。Katayama等纳入了17 例晚期 NSCLC患者,采用16S核糖体 RNA测序法对接受免疫治疗期间的患者粪便标本进行分析后发现,乳酸杆菌(Lactobacillus)和梭状芽孢杆菌(Clostridium)丰富的患者接受免疫治疗后的治疗失败时间(time-to-treatment failure,TTF)往往比丰度较低的患者更长[50]。以上研究结果提示,乳酸菌与肿瘤患者免疫治疗的疗效及不良反应存在联系,可通过调节肠道内乳酸菌的丰度,起到增效减毒的作用。



3.4 粪杆菌属(Faecalibacterium)与拟杆菌属(Bacteroides)

粪杆菌属属于厚壁菌门梭状芽胞杆菌纲瘤胃球菌科,占肠道微生物群的5%。Gopalakrishnan等收集112例转移性黑色素瘤患者PD-1抑制剂治疗前后粪便样本,发现应答者和无应答者肠道微生物组成和多样性存在显著差异,应答者的菌群多样性高于无应答者,多样性高的患者比多样性低的患者的无进展生存期(PFS)显著延长[51]。抗癌管家-康爱管家,我们一起抗癌,治愈癌症不是梦。康爱管家微信468826656。应答者粪便中富含粪杆菌属、瘤胃球菌,而无应答者粪便中富含拟杆菌属。Chaput等研究26例经伊匹木单抗治疗的恶性黑色素瘤患者,基线和每次治疗前使用6S rRNA 基因测序评估粪便微生物群组成,发现与基线菌群以拟杆菌为主的患者相比,基线菌群粪杆菌属和其他厚壁菌门 (Firmicutes)富集的患者无进展生存期(PFS)更长(P=0.0039),总生存期更长(P=0.051),且结肠炎的发生率更高,反之在抗肿瘤疗效较差且无结肠炎的患者中,拟杆菌丰度高[52]。然而,也有研究发现拟杆菌与伊匹木单抗的疗效相关,Vétizou等发现经过抗生素处理或无菌的荷瘤小鼠对伊匹木单抗不应答,给小鼠灌胃脆弱拟杆菌(B. fragilis)可恢复对伊匹木单抗的应答[53]。

4 未来潜在的临床应用



4.1微生物群作为预后生物标志物的应用

评估肠道微生物群作为对免疫治疗反应的生物标志物可以提高治疗选择的准确性,肠道中的细菌多样性越高,治疗中对免疫治疗的反应率就越高[54]。在治疗前进行粪便DNA测序,通过量化群落丰度和公认的“有益”或“有害”细菌的相对比例,可预测治疗结果,并有助于治疗决策和方案的制订。未来,微生物组的组成可能与肿瘤细胞PD-L1表达、肿瘤突变负荷结合在一起作为一个参数,用于预测特定的免疫治疗方案的疗效。



4.2 调节微生物群组成和功能的治疗干预

特定的肠道菌群可能提高免疫治疗的疗效,其中一种方法是粪便微生物群移植。粪便标本可以从抗PD-1应答者提取,然后通过内镜移植或口服的方法将菌群移植到抗PD-1治疗抵抗患者体内。另一种方法是将有益菌或具有免疫增强效应的细菌制备成益生菌,作为免疫治疗的佐剂使用。一旦确定了有益作用的分子机制,就可以利用对所选细菌进行基因操作来最大限度地发挥其有益的作用。此外,如果能够鉴定出细菌的代谢途径及可以提高免疫治疗效果的代谢产物,则可以将一些小分子作为候选的免疫增强药物来进行测试。

5 总结

肿瘤的免疫治疗效果受到肠道菌群的影响,宿主肠道菌群的结构抑制或促进免疫治疗的免疫应答,因此肠道菌群的检测和调节可作为免疫治疗的疗效预测标志物和治疗策略。肠道细菌能够增加树突状细胞的抗原呈递,促进T细胞的肿瘤浸润,提高宿主的抗肿瘤免疫反应。细菌的代谢产物能通过配体‐受体的关系调控宿主基因表达,调节免疫细胞分化及活性。因此,通过粪菌移植改变患者肠道菌群组成,能为受体患者提供更加完整的菌群结构。相比之下,食品乃至药品类的微生物制剂更容易被人们接受。因此,开发有效促进免疫治疗疗效的功能益生菌,特别是开发具有我国自主知识产权的益生菌菌株产品,在科学研究和生物治疗领域都具有重要的意义。





本文转自肿瘤资讯(由“抗癌管家网站-康爱管家”转载分享)





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